Analysis on optical pulse propagation in atomic medium for amplification without inversion

Abstract

EIT 구도에 비결맞음 광펌핑(incoherent optical pumping) 과정을 더하여 구성된 밀도 반전 없는 광증폭(Amplification without inversion; AWI)매질에서 광펄스의 전파 과정에 대한 이론적인 분석을 실시하였다 펌핑광의 세기를 변화시킴으로써 광펄스의 군속도를 제어할 수 있음을 실험적으로 관측한 논문[Kim et al., J. Phys. B, 36 (2003)]을 이론적으로 설명하기 위차여 5 준위 원자계를 모형으로 선택하여 밀도행렬방정식을 적용하였다. 특히,본 연구에서 분석한 AWI 구도는 지금까지 연구되어 온 구도와 달리 EIT 구도 밖의 독립적인 에너지 준위들 사이의 전이선을 이용함으로써 보다 많은 원자들이 상호작용에 기여할 수 있는 구도이다. AWI증폭 효율에 결정적인 영향을 미치는 것은 바닥 준위 사이의 충돌에 의한 밀도 전이가 주요하다는 사실을 확인할 수 있었으며, 보다 많은 원자들을 상호작용에 참여시킴으로써 광펄스의 속도를 효과적으로 조절할 수 있음이 수치해석 결과를 통해 밝혔고. 이는 실험 결과와 정성적으로 일치함을 알 수 있었다. We have analyzed theoretically optical pulse propagation in a coherent atomic medium for amplification without inversion (AWI), which is achieved by adding incoherent optical pumping to a typical EIT system. In order to explain experimental results [Kim et al., J. Phys. B, 36, 2671(2003)] to control the group velocity of the optical pulse by changing pumping power, we established a 5-level atomic system and applied density matrix equations. This AWI model system is different from previous AWI systems from the viewpoint of using two levels for incoherent optical pumping isolated optically from the EIT (electromagentically induced transparency) system so that more atoms can participate in pulse speed control. We have found that population transfer by collisions between ground states plays a decisive role for efficient AWI, and more atoms are effective for slowing the pulse. Our numerical results are in good agreement qualitatively with experimental results.